图像传感器及其形成方法与流程

1.本发明属于半导体制造领域，尤其涉及一种图像传感器及其形成方法。


背景技术：

2.cmos图像传感器是将光学图像转化为电信号的半导体器件。cmos图像传感器包括用于感光的光接收部件（通常称为光电二极管）和用于将所感测的光处理为电信号的逻辑电路。
3.一种在光学成像器件中常见的类型是背照式(bsi)图像传感器。bsi图像传感器制造可以集成至传统的半导体工艺内以用于更低的成本、更小的尺寸和更高的集成度。此外，bsi图像传感器具有低操作电压、低功耗、高量子效率、低读出噪声并且允许随机存取。
4.背照式图像传感器的感光区域需要进行隔离，通常在形成感光区和正面的器件之后，再对晶圆进行翻转并做背面减薄工艺，再通过光刻工艺在晶圆表面形成用于图像感光区域隔离的图形，进而通过刻蚀工艺在衬底背面形成深沟槽，继而在深沟槽中填充介质完成图像传感器感光区域的背面深沟槽隔离结构（backsidedeeptrenchisolation, bdti）。在刻蚀形成bdti的深沟槽时，由于在深沟槽的交叉区域的线宽大于非交叉区域的线宽，因此刻蚀背面衬底形成深沟槽时存在负载效应；而且在刻蚀背面衬底形成深沟槽时，深沟槽的交叉区域的深度和非交叉区域的的深度存在差异，可以产生暗电流和白像素，影响图像传感器的成像性能。因此，bdti作为bsi图像传感器的重要结构之一，其对形成工艺提出了较高的要求。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种图像传感器的形成方法，包括：提供具有正面和背面的半导体衬底，并刻蚀正面形成第一沟槽；通过至少一次外延工艺，填充所述第一沟槽，并使所述第一沟槽交叉区域的开口封闭，形成第一孔洞；所述第一孔洞用于后续工艺形成图像传感器的背面深沟槽隔离结构。
6.在一些实施例中，所述方法还包括：从半导体衬底背面打开所述第一孔洞；通过介质层填充所述第一孔洞；从半导体衬底背面刻蚀所述第一沟槽对应的部分区域，形成第二沟槽；去除所述介质层，所述第一孔洞和所述第二沟槽共同用于形成图像传感器的背面深沟槽隔离结构。
7.在一些实施例中，所述从半导体衬底背面打开所述第一孔洞包括：对半导体衬底背面进行减薄，且未暴露出第一孔洞；在半导体衬底背面形成图形化的第一掩膜层，通过刻蚀在半导体背面形成第三沟槽，并打开所述第一孔洞；所述通过介质层填充所述第一孔洞包括：所述通过所述介质层填充所述第三沟槽和所述第一孔洞；所述从半导体衬底背面刻蚀所述第一沟槽对应的部分区域，形成第二沟槽包括：刻蚀所述介质层，并保留部分填充于所述第一孔洞中的介质层；刻蚀所述半导体衬底，使所述第三沟槽的深度加深，形成所述第二沟槽。
8.在一些实施例中，所述从半导体衬底背面打开所述第一孔洞包括：对半导体衬底背面进行减薄，且未暴露出第一孔洞；对半导体衬底背面进行刻蚀，打开所述第一孔洞；所述通过介质层填充所述第一孔洞包括：在半导体衬底背面沉积所述介质层，填充所述第一孔洞；所述从半导体衬底背面刻蚀所述第一沟槽对应的部分区域，形成第二沟槽包括：形成图形化的第二掩膜层，刻蚀所述介质层和所述半导体衬底，形成所述第二沟槽。
9.在一些实施例中，所述半导体衬底包括像素区和对准区；所述刻蚀正面形成第一沟槽包括：在半导体衬底正面形成图形化的第三掩膜层，并分别于像素区和对准区同时刻蚀形成所述第一沟槽；对准区的第一沟槽或者第三掩膜层用于形成对准标记。
10.在一些实施例中，在所述通过至少一次外延工艺，填充所述第一沟槽包括：通过至少一次外延工艺，填充像素区的第一沟槽和对准区的第一沟槽，使像素区的第一沟槽交叉区域的开口封闭，形成第一孔洞，以及使对准区的第一沟槽开口封闭，形成第二孔洞；所述第二孔洞作为图像传感器的背面工艺过程中的对准标记。
11.在一些实施例中，在形成至少一层外延层之前，所述方法还包括：自半导体衬底正面对所述第一沟槽底部进行离子注入，于所述第一沟槽底部对应的半导体衬底内形成离子掺杂区，作为像素单元表面的钉扎层。
12.在一些实施例中，所述介质层为有机抗反射材料。
13.在一些实施例中，所述介质层包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
14.在一些实施例中，所述方法还包括：通过介质材料填充所述第二沟槽和所述第一孔洞，从而形成所述背面深沟槽隔离结构。
15.在一些实施例中，对半导体衬底背面进行减薄至所述第一孔洞的距离为0.1至1微米。
16.本发明还提供了一种图像传感器，通过上述方法形成。
17.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例通过在半导体衬底正面形成第一沟槽；通过至少一次外延工艺，填充所述第一沟槽，并使所述第一沟槽交叉区域的开口封闭，形成第一孔洞所述第一孔洞用于后续工艺形成图像传感器的背面深沟槽隔离结构；从半导体衬底背面打开所述第一孔洞；通过介质层填充所述第一孔洞；从半导体衬底背面刻蚀所述第一沟槽对应的部分区域，形成第二沟槽；去除所述介质层，所述第一孔洞和所述第二沟槽共同用于形成图像传感器的bdti。本发明实施例在形成图像传感器的半导体衬底正面工艺时，形成带有第一孔洞的结构，在后续对半导体衬底背面形成bdti填充介质时，可以减少在第一沟槽在交叉区域的线宽偏大导致的负载效应，减少刻蚀带来的深度差异，减少暗电流和白像素, 提升像素的信噪比；在进行半导体衬底正面工艺时，由于外延生长速度比较快，相比于没有孔洞结构，其工艺窗口更大，在成本和质量管控上面更有优势。
附图说明
18.本发明附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明，附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。
19.图1至图19为本发明实施例的一种图像传感器的形成方法过程中的截面示意图；图20至图35为本发明实施例的另一种图像传感器的形成方法过程中的截面示意
图；图36为本发明实施例的一种图像传感器的形成方法的流程图；图37为本发明实施例的另一种图像传感器的形成方法的流程图。
具体实施方式
20.以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
21.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
22.实施例一图1至图19为本发明实施例的一种图像传感器的形成方法过程中的截面示意图。
23.参考图1至图3，提供具有正面和背面的半导体衬底10（如图1），并刻蚀正面形成第一沟槽12（如图3）。半导体衬底10可以是掺杂或未掺杂的半导体材料，诸如硅、锗、硅锗、绝缘体上锗硅(sgoi)或其组合。半导体衬底10可以包括多层外延层的衬底。作为示例说明，在该实施例中，半导体衬底10可以在硅晶圆101上形成外延层102、外延层103、外延层104。其中，外延层102可以是p型外延层；外延层103可以是低掺杂的p型缓冲层；外延层104可以是n型外延层。参考图2，在半导体衬底10上形成图形化的第三掩膜层11。在该实施例中，第三掩膜层11可以为在半导体衬底10上形成一层氧化硅，再形成一层氮化硅。参考图3，通过刻蚀工艺，刻蚀半导体衬底10的正面分别于像素区和对准区同时刻蚀形成第一沟槽12；其中，像素区的第一沟槽12将感光单元104a（即光电二极管的 n型区域）相互分离。其中，两条第一沟槽12可以形成交叉区域12a。其中，对准区的第一沟槽12用于形成对准标记。
24.参考图4，仅作为示例说明，在该实施例中，可以对半导体衬底10进行离子注入，形成p型离子掺杂区103，作为像素单元表面的钉扎层。
25.参考图5至图8，可以通过至少一次外延工艺，形成至少一层外延层13，填充第一沟槽12，并使第一沟槽交叉区域12a的开口封闭，形成第一孔洞14a；第一孔洞14a用于后续工艺形成图像传感器的bdti。
26.具体的，在该实施例中，参考图5，去除掩膜层11。参考图6，通过外延工艺，在半导体衬底10表面和第一沟槽12的表面形成第一外延层131、第二外延层132。其中，第一外延层131可以为本征型外延层、第二外延层132可以为p型外延层。参考图7，可选地，可以对半导体衬底10进行一定程度的刻蚀。参考图8，通过外延工艺，在半导体衬底10表面继续形成第三外延层133、第四外延层134。第三外延层133、第四外延层134可以为p型外延层。在像素区的第一沟槽12的交叉区域12a形成第一孔洞14a；在对准区的第一沟槽12形成第二孔洞14b，用于图像传感器的背面工艺过程中的对准标记。
27.参考图9，可以对半导体衬底10进行离子注入，形成离子掺杂区134a，用于隔离感光单元104a之间的光学串扰。
28.参考图10，于半导体衬底10上形成晶体管15和金属互联层16。
29.参考图11，从半导体衬底10背面打开第一孔洞12a。具体的，对半导体衬底10背面进行减薄，且未暴露出第一孔洞12a；该实施例中，对半导体衬底10背面进行减薄至第一孔洞12a的距离为0.1至1微米。
30.参考图12，在半导体衬底10背面形成图形化的第一掩膜层17。
31.参考图13，通过刻蚀在半导体背面10形成第三沟槽171，并打开第一孔洞12a。
32.参考图14，通过介质层172填充第三沟槽171和第一孔洞12a。在该实施例中，仅作为示例说明，介质层172为有机抗反射材料。
33.参考图15，刻蚀介质层172，并保留部分填充于第一孔洞12a中的介质层172。通过介质填充，可以平衡bdti的线宽，以及均匀的bdti的深度。
34.参考图16，刻蚀半导体衬底10，使第三沟槽171的深度加深，形成第二沟槽173。
35.参考图17，去除部分填充于第一孔洞12a中的介质层172。
36.参考图18，去除第一掩膜层17。
37.参考图19，通过介质材料18填充第二沟槽173和第一孔洞12，从而形成bdti。进一步地，在半导体衬底10背面形成滤光片181和微透镜182。
38.实施例二图20至图35为本发明实施例的另一种图像传感器的形成方法过程中的截面示意图。
39.参考图20至图22，提供具有正面和背面的半导体衬底20（如图20），并刻蚀正面形成第一沟槽22（如图2）。半导体衬底20可以是掺杂或未掺杂的半导体材料，诸如硅、锗、硅锗、绝缘体上锗硅(sgoi)或其组合。半导体衬底10可以包括多层外延层的衬底。作为示例说明，在该实施例中，半导体衬底20可以在硅晶圆201上形成外延层202、外延层203、外延层204。其中，外延层202可以是p型外延层；外延层203可以是低掺杂的p型缓冲层；外延层204可以是n型外延层。参考图21，在半导体衬底20上形成图形化的第三掩膜层21。在该实施例中，第三掩膜层21可以为在半导体衬底20上形成一层氧化硅，再形成一层氮化硅。参考图22，通过刻蚀工艺，刻蚀半导体衬底20的正面分别于像素区和对准区同时刻蚀形成第一沟槽22；其中，像素区的第一沟槽22将感光单元204a（即光电二极管的 n型区域）相互分离。其中，两条第一沟槽22可以形成交叉区域22a。
40.参考图23至图25，可以通过至少一次外延工艺，形成至少一层外延层23，填充第一沟槽22，并使第一沟槽交叉区域22a的开口封闭，形成第一孔洞24a；第一孔洞24a用于后续工艺形成图像传感器的背面深沟槽隔离结构(backside deep trench isolation, bdti)。
41.具体的，参考图23，通过外延工艺，在第一沟槽22的表面形成第一外延层231、第二外延层232。其中，第一外延层231可以为本征型外延层、第二外延层232可以为p型外延层。参考图24，通过外延工艺，在半导体衬底20上继续形成第三外延层233。在像素区的第一沟槽22的交叉区域22a形成第一孔洞24a。在该实施例中，可以在对准区的第一沟槽22也形成第二孔洞14b。
42.参考图25，对第三外延层233进行化学机械研磨，停止至第三掩膜层21。
43.参考图26，去除像素区的第三掩膜层21，保留对准区的第三掩膜层21；第三掩膜层21用于形成对准标记。
44.参考图27，通过外延工艺在像素区和对准区形成第四外延层234。
45.参考图28，可以对半导体衬底20进行离子注入，形成离子掺杂区234a，用于隔离感光单元204a之间的光学串扰。
46.参考图29，于半导体衬底120上形成晶体管25和金属互联层26。
47.参考图30，从半导体衬底20背面打开第一孔洞22a。具体的，对半导体衬底20背面进行减薄，且未暴露出第一孔洞22a；该实施例中，对半导体衬底20背面进行减薄至第一孔洞12a的距离为0.1至1微米。
48.参考图31，对半导体衬底20背面进行刻蚀，打开第一孔洞22a。
49.参考图32，在半导体衬底20背面沉积介质层27，填充第一孔洞。
50.参考图33，在半导体衬底20背面形成图形化的第二掩膜层271，刻蚀介质层27和半导体衬底20，形成第二沟槽272。在该实施例中，仅作为示例说明，介质层172介质层包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。通过介质填充，可以平衡bdti的线宽，以及均匀的bdti的深度。
51.参考图34，去除部分填充于第一孔洞22a中的介质层27，以及第二掩膜层271。
52.参考图35，通过介质材料273填充第二沟槽272和第一孔洞22，从而形成bdti。进一步地，在半导体衬底20背面形成滤光片281和微透镜282。
53.图36为本发明实施例的一种图像传感器的形成方法的流程图，该方法包括以下步骤：步骤s11：提供具有正面和背面的半导体衬底，并刻蚀正面形成第一沟槽；步骤s12：通过至少一次外延工艺，填充所述第一沟槽，并使所述第一沟槽交叉区域的开口封闭，形成第一孔洞；所述第一孔洞用于后续工艺形成图像传感器的背面深沟槽隔离结构。
54.以上具体步骤的详细描述请参考图1至35的相关描述，在此不再赘述。
55.图37为本发明实施例的另一种图像传感器的形成方法的流程图，该方法包括以下步骤：步骤s21：提供具有正面和背面的半导体衬底，并刻蚀正面形成第一沟槽；步骤s22：通过至少一次外延工艺，填充所述第一沟槽，并使所述第一沟槽交叉区域的开口封闭，形成第一孔洞；步骤s23：从半导体衬底背面打开所述第一孔洞；步骤s24：通过介质层填充所述第一孔洞；步骤s25：从半导体衬底背面刻蚀所述第一沟槽对应的部分区域，形成第二沟槽；步骤s26：去除所述介质层，所述第一孔洞和所述第二沟槽共同用于形成图像传感器的背面深沟槽隔离结构。
56.在一些实施例中，所述从半导体衬底背面打开所述第一孔洞包括：对半导体衬底背面进行减薄，且未暴露出第一孔洞；在半导体衬底背面形成图形化的第一掩膜层，通过刻蚀在半导体背面形成第三沟槽，并打开所述第一孔洞；所述通过介质层填充所述第一孔洞包括：所述通过所述介质层填充所述第三沟槽和所述第一孔洞；所述从半导体衬底背面刻蚀所述第一沟槽对应的部分区域，形成第二沟槽包括：刻蚀所述介质层，并保留部分填充于所述第一孔洞中的介质层；刻蚀所述半导体衬底，使所述第三沟槽的深度加深，形成所述第二沟槽。
57.在一些实施例中，所述从半导体衬底背面打开所述第一孔洞包括：对半导体衬底
背面进行减薄，且未暴露出第一孔洞；对半导体衬底背面进行刻蚀，打开所述第一孔洞；所述通过介质层填充所述第一孔洞包括：在半导体衬底背面沉积所述介质层，填充所述第一孔洞；所述从半导体衬底背面刻蚀所述第一沟槽对应的部分区域，形成第二沟槽包括：形成图形化的第二掩膜层，刻蚀所述介质层和所述半导体衬底，形成所述第二沟槽。
58.以上具体步骤的详细描述请参考图1至35的相关描述，在此不再赘述。
59.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。